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    故障指示器采集單元取電磁芯的應用及取電線圈燒毀原因

    發布時間:2020-06-17 14:11:30


    1、采集單元取電原理

    故障指示器采集單元電流感應取電利用“動電生磁,動磁生電”的電磁感應原理,將導線上變化的交流電流,通過坡莫合金磁芯電磁耦合的方式在二次線圈上產生電壓和電流,實現取電功率的傳送,達到自導線上取電的目的。

     坡莫合金磁芯.webp.jpg

    如圖,當一次繞組N1中流過一次電流時,磁芯磁體內產生一個交變磁通Φ1 ,該交變磁通Φ1通過磁芯磁路,在二次側繞組上產生感應電壓值U。相較于其它電磁互感變換,這里的一次繞組為電纜或導線,匝數為1匝。

    交變磁通Φ1在磁芯中形成閉合回路的過程中會受到磁阻Φr、磁空間輻射(漏磁ΦL)等的阻礙,部分磁通將被損耗,只有穿越二次繞組的這部分磁通Φ2才能有效的將電能傳遞到二次側,即Φ1=ΦL+Φr+Φ2。可見,在同等工況下,磁阻Φr和漏磁ΦL越小,二次側輸出的功率會越大。

    由于坡莫合金磁芯采集單元需滿足帶電安裝和拆卸的要求,磁芯需要采用切割扣合模式,即磁芯需要在生產時切割成兩半,安裝時再閉合形成環形磁路。磁路在閉合時會因切割縫隙產生氣隙,相較于原環形磁芯,其磁阻Φr和漏磁ΦL因而大大增加,在同等工況下,切割工藝越好,氣隙越小,磁阻Φr和漏磁ΦL將會越小,二次側輸出的功率則會越大。

    為了降低磁路損耗,在相同的導線電流情況下提高二次側輸出功率水平,需要采用高磁導率、高飽和磁通密度Bs值的磁芯材料,使磁芯材料的選材趨于高端化。經過我們的多方實驗,符合故障指示器采集單元取電要求的材料有:坡莫合金1L85 ,鐵基納米晶 1K107.


    磁性材料的物理特性 / 磁特性:

     坡莫合金鐵芯.png

    2、磁通量與功率的關系/理論公式之間的關聯計算:

    (1)Φ1=B*Ae   

    (2)B=μ*H    

    (3)μ=AL*Le/0.4*π* N2*Ae(N2=1)

    (4) H=0.40π*N*I/Le

    其中:

    μ:磁導率  

    B:磁通密度   

    Ae:磁芯截面積

    H:磁場強度    

    AL:電感系數  

    Le:等效磁路長度  

    由此可見:在相同的一次側電流時,磁導率μ越高、磁芯的等效磁路長度Le越短、磁芯截面積Ae越大,一次側磁通量Φ1越大。

    為了使一次側的磁通量傳遞到二次側后,Φr、ΦL損耗達到最小,就必須減少磁阻損耗、漏磁損耗,即提高磁導率、優化磁芯的有效磁路長度并采用優良工藝保障磁芯切割面緊密貼合。在我們的實際加工實踐中,1K107鐵基納米晶磁芯切割后的磁導率可以達到15000以上,1J85坡莫合金磁芯切割后的磁導率可以達到12000以上。坡莫合金鐵芯切割后的磁導率可以達到多少呢?以待下集分解。

     

    3、取電線圈燒毀原因分析

    由于取電線圈在工頻條件下工作,在合理設計磁芯的情況下,磁芯渦流引致的鐵損不會太大,因此坡莫合金磁芯磁芯不會出現燒毀的情況,現場的燒毀情況主要因二次繞組的設計不當造成。

    當故障指示器一次側的工作電流上升時,二次側輸出電流也會相應的上升,即滿足I1:I2 =N1:N2,因此需要按照一次側導線上可能的持續最大電流考慮繞組銅線的線徑,繞組上的電流密度取值不宜過大,否則繞組上將會產生高熱,導致線圈燒毀。


    4、實例應用

    1J85(0.2mm坡莫合金)與1K107(0.025mm鐵基納米晶)都屬于超高磁導率軟磁材料,在工頻條件下, 渦流損耗幾乎可以忽略不計,在當前故障指示器采集單元的取電應用中,其優良的磁特性,是其他坡莫合金磁芯磁性材料無法相提并論的。1J85與1K107 之間的磁芯價格大約是2:1,大批量的應用下,1K107的磁性能優勢,價格優勢突出。


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